基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械爪裝置，尤其涉及一種基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)械爪作為一種傳統(tǒng)實(shí)用的抓取工具，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)、制造中。但是傳統(tǒng)的機(jī)械爪的動(dòng)力來源多為伺服電機(jī)、氣壓及液壓，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尤其是氣液管道及供電線路限制了其應(yīng)用，無法實(shí)現(xiàn)狹小范圍的抓取，另外輸出力與自身重量的比值小。因此，智能材料驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪成為了新的研發(fā)方向。
[0003]近些年來，相關(guān)研宄人員大力開發(fā)基于智能材料驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪，已取得一系列研宄成果。目前較為成熟的智能材料有形狀記憶合金和壓電材料，其中基于形狀記憶合金材料的機(jī)械爪利用溫度變化來實(shí)現(xiàn)形狀記憶合金材料在馬氏體和奧氏體之間的相變，相變產(chǎn)生的應(yīng)力作為動(dòng)力源，但是這其中溫度下降過程較為緩慢，如果使用相應(yīng)的散熱裝置則將增加整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度?；趬弘姴牧系臋C(jī)械爪利用逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出，其作動(dòng)頻率高，但是機(jī)械爪端部的行程小。此外，受限于供電線的使用，以上兩種機(jī)械爪都無法實(shí)現(xiàn)非接觸式控制。為改進(jìn)這些缺點(diǎn)，需要簡(jiǎn)化機(jī)械爪內(nèi)部的機(jī)械部件，設(shè)計(jì)出更加簡(jiǎn)單、非接觸式控制的機(jī)械爪。
[0004]基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪裝置還有工作時(shí)幾乎不產(chǎn)生噪聲、無需潤(rùn)滑、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，實(shí)現(xiàn)非接觸式控制的功能，特別適用于高精度的微機(jī)電系統(tǒng)制造中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪裝置及其方法。
[0006]一種基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪裝置包括緊固螺栓、卡塊、裝卸螺栓、基座、光致形狀記憶聚合物層合梁；基座與卡塊之間設(shè)有卡槽，卡槽間隙可根據(jù)光致形狀記憶聚合物層合梁的厚度進(jìn)行調(diào)整，光致形狀記憶聚合物層合梁的一端置于卡槽內(nèi)，緊固螺栓穿過卡塊上的通孔，進(jìn)入基座的螺紋孔并卡緊光致形狀記憶聚合物層合梁，光致形狀記憶聚合物層合梁包括光致形狀記憶聚合物、彈性梁、金屬保護(hù)片，光致形狀記憶聚合物通過高強(qiáng)度粘性材料黏貼在彈性梁的兩個(gè)側(cè)面上，金屬保護(hù)片用來保護(hù)光致形狀記憶聚合物，通過高強(qiáng)度粘性材料粘結(jié)在光致形狀記憶聚合物遠(yuǎn)離卡槽的一端側(cè)面上，基座上設(shè)有裝卸螺栓，用于將機(jī)械爪裝置與其他結(jié)構(gòu)相連接。
[0007]所述的光致形狀記憶聚合物層合梁的末端位移在O到50微米之間。
[0008]所述的彈性梁采用聚丙烯材料，其楊氏模量為1500_2000MPa。
[0009]所述的光致形狀記憶聚合物采用聚合物中摻雜光敏物質(zhì)來合成，在紫外光照射下楊氏模量變化范圍為5MPa到123MPa，當(dāng)照射的紫外光波長(zhǎng)為325nm時(shí)，光致形狀記憶聚合物的楊氏模量增大；當(dāng)照射的紫外光波長(zhǎng)為248nm時(shí)，光致形狀記憶聚合物的楊氏模量減小。
[0010]所述的光致形狀記憶聚合物的長(zhǎng)度可以不等于彈性梁的長(zhǎng)度，即對(duì)彈性梁的部分區(qū)域進(jìn)行黏貼光致形狀記憶聚合物。
[0011]所述的光敏物質(zhì)為螺吡喃或肉桂酸。
[0012]所述裝置的基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪的方法是:光致形狀記憶聚合物為作動(dòng)器，當(dāng)內(nèi)側(cè)的光致形狀記憶聚合物層在波長(zhǎng)325nm紫外光照射下時(shí)，其楊氏模量增大并且收縮，彈性梁在光致形狀記憶聚合物的單側(cè)收縮力作用下發(fā)生彎曲，當(dāng)兩根光致形狀記憶聚合物層合梁的內(nèi)側(cè)光致形狀記憶聚合物層同時(shí)被波長(zhǎng)325nm紫外光照射，貼有金屬保護(hù)片的一端發(fā)生相向彎曲時(shí)，處于兩根光致形狀記憶聚合物層合梁中間的目標(biāo)物被擠壓，實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的抓取功能；在目標(biāo)物被抓取后，內(nèi)側(cè)光致形狀記憶聚合物在波長(zhǎng)248nm的紫外光照射下時(shí)，其楊氏模量減小并且舒張，外側(cè)光致形狀記憶聚合物在波長(zhǎng)325nm的紫外光照射下時(shí)，其楊氏模量增大并且收縮，此時(shí)兩根光致形狀記憶聚合物層合梁貼有金屬保護(hù)片的一端發(fā)生反向彎曲，處于兩根光致形狀記憶聚合物層合梁中間的目標(biāo)物被釋放，實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的卸載功能。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有有益效果
1)光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)器取代傳統(tǒng)的電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性提高；
2)光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)不受磁場(chǎng)影響，只和光信號(hào)有關(guān)，因此可以實(shí)現(xiàn)非接觸式控制的功能；
3)形狀記憶合金彈簧直接由光信號(hào)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易運(yùn)用于微型機(jī)電系統(tǒng)的自動(dòng)化制造與生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0014]圖1為基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的基座結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明的光致形狀記憶聚合物層合梁結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明的緊固螺栓及卡塊示意圖，
圖中，緊固螺栓1、卡塊2、裝卸螺栓3、基座4、光致形狀記憶聚合物層合梁5。
【具體實(shí)施方式】
[0015]結(jié)合附圖，有利于更加全面準(zhǔn)確地了解前面對(duì)于本發(fā)明的基本概述以及本發(fā)明的具體實(shí)施過程。附圖僅提供本發(fā)明的一種示例，實(shí)際發(fā)明并不局限于所示的精確布局、幾何形狀及實(shí)施手段。
[0016]如圖1?3所示，基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪裝置包括緊固螺栓1、卡塊2、裝卸螺栓3、基座4、光致形狀記憶聚合物層合梁5 ;基座4與卡塊2之間設(shè)有卡槽，光致形狀記憶聚合物層合梁5的一端置于基卡槽內(nèi)，緊固螺栓I穿過卡塊2上的通孔，進(jìn)入基座4的螺紋孔并卡緊光致形狀記憶聚合物層合梁5。爪臂為光致形狀記憶聚合物層合梁5，包括光致形狀記憶聚合物5.1、彈性梁5.2、金屬保護(hù)片5.3。光致形狀記憶聚合物5.1黏貼在彈性梁5.2的兩個(gè)側(cè)面上，金屬保護(hù)片5.3黏貼在光致形狀記憶聚合物5.1遠(yuǎn)離卡槽的一端側(cè)面上?；?上設(shè)有裝卸螺栓3，用于將機(jī)械爪裝置與其他結(jié)構(gòu)相連接。
[0017]所述的光致形狀記憶聚合物層合梁5的末端位移在O到50微米之間。
[0018]所述的彈性梁5.2采用聚丙烯，其楊氏模量為1500_2000MPa。
[0019]所述的光致形狀記憶聚合物采用聚合物中摻雜光敏物質(zhì)來合成，實(shí)現(xiàn)在紫外光照射下楊氏模量變化范圍為5MPa到123MPa，當(dāng)紫外光的波長(zhǎng)為325nm時(shí)，光致形狀記憶聚合物的楊氏模量上升；當(dāng)紫外光的波長(zhǎng)為248nm時(shí)，光致形狀記憶聚合物的楊氏模量下降。所述的光敏物質(zhì)為螺吡喃或肉桂酸。
[0020]如圖4所示的緊固螺栓I穿過卡塊2上的通孔，進(jìn)入基座4的螺紋孔并卡緊光致形狀記憶聚合物層合梁5。
[0021]基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪裝置的控制方法是:光致形狀記憶聚合物為作動(dòng)器，當(dāng)內(nèi)側(cè)光致形狀記憶聚合物4.1在波長(zhǎng)325nm的紫外光照射下時(shí)楊氏模量上升并且收縮，彈性梁4.2在光致形狀記憶聚合物4.1的單側(cè)收縮力作用下發(fā)生彎曲，當(dāng)兩根光致形狀記憶聚合物層合梁4貼有金屬保護(hù)片4.3的一端發(fā)生相向彎曲時(shí)，處于金屬保護(hù)片
4.3中間的目標(biāo)物被擠壓，實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的抓取功能；在目標(biāo)物被抓取后，內(nèi)側(cè)光致形狀記憶聚合物4.1在波長(zhǎng)248nm的紫外光照射下時(shí)楊氏模量下降并且舒張，外側(cè)光致形狀記憶聚合物4.1在波長(zhǎng)325nm的紫外光照射下時(shí)楊氏模量上升并且收縮，此時(shí)兩根光致形狀記憶聚合物層合梁4貼有金屬保護(hù)片4.3的一端發(fā)生反向彎曲，實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的卸載功能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪裝置，其特征在于包括緊固螺栓(I)、卡塊(2)、裝卸螺栓(3)、基座(4)、光致形狀記憶聚合物層合梁(5);基座(4)與卡塊(2)之間設(shè)有卡槽，光致形狀記憶聚合物層合梁(5)的一端置于卡槽內(nèi)，緊固螺栓(I)穿過卡塊(2)上的通孔，進(jìn)入基座(4)的螺紋孔并卡緊光致形狀記憶聚合物層合梁(5)，光致形狀記憶聚合物層合梁(5)包括光致形狀記憶聚合物(5.1)、彈性梁(5.2)、金屬保護(hù)片(5.3)，光致形狀記憶聚合物(5.1)黏貼在彈性梁(5.2)的兩個(gè)側(cè)面上，金屬保護(hù)片(5.3)黏貼在光致形狀記憶聚合物(5.1)遠(yuǎn)離卡槽的一端側(cè)面上，基座(4)上設(shè)有裝卸螺栓(3)，用于將機(jī)械爪裝置與其他結(jié)構(gòu)相連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪裝置，其特征在于所述的光致形狀記憶聚合物層合梁(5)的末端位移在O到50微米之間。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪裝置，其特征在于所述的彈性梁(5.2)采用聚丙烯材料，其楊氏模量為1500-2000MPa。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪裝置，其特征在于所述的光致形狀記憶聚合物(5.1)采用聚合物中摻雜光敏物質(zhì)來合成，在紫外光照射下楊氏模量變化范圍為5MPa到123MPa，當(dāng)照射的紫外光波長(zhǎng)為325nm時(shí)，光致形狀記憶聚合物(5.1)的楊氏模量增大；當(dāng)照射的紫外光波長(zhǎng)為248nm時(shí)，光致形狀記憶聚合物(5.1)的楊氏模量減小。
5.按照權(quán)利要求1所述的一種基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪裝置，其特征在于，所述的光致形狀記憶聚合物(5.1)的長(zhǎng)度可以不等于彈性梁(5.2)的長(zhǎng)度，即對(duì)彈性梁(5.2)的部分區(qū)域進(jìn)行黏貼光致形狀記憶聚合物(5.1)。
6.按照權(quán)利要求4所述的一種基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪裝置，其特征在于所述的光敏物質(zhì)為螺吡喃或肉桂酸。
7.一種使用如權(quán)利要求1所述裝置的基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪的方法，其特征在于:光致形狀記憶聚合物(5.1)為作動(dòng)器，當(dāng)內(nèi)側(cè)的光致形狀記憶聚合物層在波長(zhǎng)325nm紫外光照射下時(shí)，其楊氏模量增大并且收縮，彈性梁(5.2)在光致形狀記憶聚合物(5.1)的單側(cè)收縮力作用下發(fā)生彎曲，當(dāng)兩根光致形狀記憶聚合物層合梁(5)的內(nèi)側(cè)光致形狀記憶聚合物層(5.1)同時(shí)被波長(zhǎng)32511!11紫外光照射，貼有金屬保護(hù)片(5.3)的一端發(fā)生相向彎曲時(shí)，處于兩根光致形狀記憶聚合物層合梁(5)中間的目標(biāo)物被擠壓，實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的抓取功能；在目標(biāo)物被抓取后，內(nèi)側(cè)光致形狀記憶聚合物在波長(zhǎng)248nm的紫外光照射下時(shí)，其楊氏模量減小并且舒張，外側(cè)光致形狀記憶聚合物在波長(zhǎng)325nm的紫外光照射下時(shí)，其楊氏模量增大并且收縮，此時(shí)兩根光致形狀記憶聚合物層合梁(4)貼有金屬保護(hù)片(5.3)的一端發(fā)生反向彎曲，處于兩根光致形狀記憶聚合物層合梁(5)中間的目標(biāo)物被釋放，實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的卸載功能。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光致形狀記憶聚合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪裝置及其方法。光致形狀記憶聚合物層合梁的一端固定于基座與卡塊間的卡槽內(nèi)，光致形狀記憶聚合物層合梁的另外一端貼有金屬保護(hù)片用來保護(hù)光致形狀記憶聚合物，爪臂為光致形狀記憶聚合物層合梁，一共包括三層，頂層和底層為光致形狀記憶聚合物，中間層為彈性梁，層與層之間用高強(qiáng)度粘性材料進(jìn)行粘結(jié)；基座上設(shè)有卡塊、緊固螺栓，設(shè)緊固螺栓端部穿過基座的通孔后與基座的螺紋孔配合，卡塊與基座之間形成的卡槽用于固定光致形狀記憶聚合物層合梁的端部，卡槽間隙可根據(jù)光致形狀記憶聚合物層合梁的厚度進(jìn)行調(diào)整。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單智能、非接觸式控制、重量輕等特點(diǎn)，適用于一般微機(jī)電系統(tǒng)。
【IPC分類】B25J15-00
【公開號(hào)】CN104772761
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510138636
【發(fā)明人】鄒鴻生, 郭達(dá), 李會(huì)雨
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年3月27日